Системный характер земледелия и особенности его математического моделирования

Важнейшей предпосылкой для математической формализации земледелия является его системный характер. Он давно уже является общепризнанным. В качестве подтверждения этого положения обычно рассматривается декомпозиция (членение) систем земледелия на компоненты – так называемые звенья, или комплексы мероприятий. Возможность четкой декомпозиции на элементы является безусловно важным, но далеко не исчерпывающим признаком системного характера объекта. Еще большее значение имеет выявление прямых и обратных связей между элементами.

Глубина познания взаимодействий между элементами системы земледелия неодинакова. Некоторые из них давно находятся в поле зрения исследователей; другим посвящены лишь отдельные работы. Последнее связано с тем, что достоверную количественную оценку взаимодействий можно получить лишь в специально спланированных для этого достаточно сложных и высокозатратных длительных стационарных многофакторных опытах.

Наиболее полно исследованы влияния предшественников и севооборотов на эффективность удобрений. Например, неодинаковое воздействие разных предшественников на мобилизацию азота почвы в доступных для культурных растений формах известно еще с работ Д.Н. Прянишникова. Установлено, что способность предшественников обеспечивать культуры минеральным азотом возрастает в ряду: повторные посевы зерновых, однолетние кормовые, многолетние травы, горох, чистый пар. В этом же направлении растет эффективность вносимого фосфора, тогда как прибавки урожая от азотных удобрений столь же закономерно падают. Очевидные на качественном уровне, указанные закономерности нуждаются, однако, в детальной эмпирической проверке в местных условиях в полевых опытах, в которых реакция культур на предшественники исследуется на фоне комбинаций азота, фосфора и калия, представленных в последовательной градации их норм.

Большой интерес представляет анализ более сложного взаимодействия – между предшественником, с одной стороны, и удобрениями и пестицидами – с другой. В Зауралье эту проблему в 1970-е – 1990-е годы исследовал В.И. Овсянников. Он показал, что фактором, определяющим эффективность экстенсивного земледелия, специализирующемся на производстве зерна, является чистый пар. Но депрессия урожайности зерновых после непаровых предшественников в сравнении с чистым паром значительно ослабляется совместным применением азотных удобрений и гербицидов. При этом технологически и экономически предпочтительными становятся не только севообороты из зерновых и кормовых культур, но и севообороты со стопроцентным насыщением зерновыми, вплоть до бессменной культуры. Этим было доказано, что в условиях интенсификации земледелия Зауралья роль ведущего системообразующего фактора переходит от предшественника к средствам химизации. Были установлены и количественные параметры, обусловливающие переход на беспаровое земледелие: внесение в среднем на гектар пашни 30-50 кг азота, 20-30 кг фосфора и обработка гербицидами 30-40 % пашни. Высказанные сначала в форме гипотезы, эти положения были подтверждены в серии унифицированных длительных многофакторных стационарных опытов по оценке севооборотов при разных уровнях химизации, заложенных в разных агроклиматических зонах Зауралья. На основе данных этих стационаров в 1983 г. были построены математические модели, вскрывшие формальную (математическую) связь между исследованными факторами.

Широко известна связь между севооборотом и обработкой почвы. В степных районах Сибири и Северного Казахстана главным условием перехода на мульчирующую обработку является высокий (как минимум, 12-15 %) удельный вес чистого пара. Этот вывод, сформулированный в работах сотрудников бывшего ВНИИЗХ под руководством академика А.И. Бараева, для степных районов Сибири и Казахстана сейчас представляется аксиоматическим.

В дальнейшем были получены доказательства тесного взаимодействия обработки почвы и химических средств интенсификации. Установлено, что при экстенсивном земледелии и невысоком удельном весе чистого пара замена вспашки на минимальную обработку (плоскорезом, дисковыми орудиями), а тем более отказ от основной обработки приводит к существенному снижению урожайности зерновых. Азотные удобрения и гербициды уменьшают разрыв между способами обработки и делают возможной минимализацию обработки почвы. Формализация установленных при этом количественных зависимостей была осуществлена в математических моделях систем земледелия.

В последующих многофакторных экспериментах были идентифицированы связи между минеральными удобрениями и средствами защиты растений удобрениями, сроками посева и нормами высева и др.

Таким образом, система земледелия из набора мероприятий превращается в целостность, которая может быть строго идентифицирована. При этом изменение любого значимого элемента системы делает необходимым изменение других элементов, а заданной характеристике одного элемента соответствуют определенные качественные и количественные параметры других. Формализация этих зависимостей на основе данных длительных многофакторных стационарных опытов с градацией факторов создает предпосылки для перехода от вербальной модели земледелия к математической.